一種基于SPI接口實現(xiàn)通信節(jié)點健康管理電路的方法與研究

雷宇宏 李鍵 劉軍偉

摘要：隨著機載網(wǎng)絡性能的不斷提高、處理數(shù)據(jù)量的不斷加大，如何有效地提高機載網(wǎng)絡的安全性，保障機載網(wǎng)絡產(chǎn)品在執(zhí)行任務過程中可以“健康”有效的運行變得尤為重要。本文在分析健康管理（PHM）理念的基礎上，對特定小系統(tǒng)應用環(huán)境下基于SPI接口實現(xiàn)健康管理功能進行了研究，并給出了解決辦法。

關鍵詞： SPI串行通信接口；PHM健康管理

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）07-0216-02

預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術是一項根據(jù)系統(tǒng)歷史狀態(tài)和環(huán)境因素，評估當前健康狀態(tài)、確定未來故障發(fā)生時間、計算有效壽命，以降低系統(tǒng)故障風險、保證可靠性的通用技術[1]。PHM系統(tǒng)一般需要完成故障檢測、故障鑒定與隔離、故障預測、健康評估和決策建議等功能[2]。

本文論述的健康管理信息主要是模塊主要器件的溫度、電壓以及當前工作狀態(tài)等信息，利用SPI接口將這些信息上報給主機，為系統(tǒng)評估當前健康狀態(tài)，并對故障的檢測、鑒定與隔離提供一定的信息支撐。SPI接口是一種常用的標準通信接口，它采用一個串行、同步、全雙工的通信方式來進行信號傳輸，SPI接口具有傳輸效率較高、配置靈活、協(xié)議簡單等優(yōu)點。

1 設計思路

考慮到機載網(wǎng)絡系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量的不斷增大，一些機載系統(tǒng)中采取將通信信息與管理信息分開進行傳輸?shù)姆椒ǎ瑘D1為某系統(tǒng)總線框圖，該系統(tǒng)中的通信信息通過光纖進行傳輸，管理信息通過CAN總線進行傳輸。通信信息與管理信息分開傳輸，一方面保證了通信信息的傳輸及處理效率，另一方面保證了管理信息傳輸?shù)莫毩⑿浴⒖煽啃浴?/p>

為了保證電路的統(tǒng)一性，該系統(tǒng)通過統(tǒng)一的單片機電路來實現(xiàn)CAN總線接口?；谝陨媳尘埃韵聫腟PI串行通信接口出發(fā)，闡述如何使用模塊自帶的內(nèi)置ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度及電壓等部分健康管理信息通過SPI接口上報至單片機，最終通過CAN主干網(wǎng)上報至主機，具體硬件架構實現(xiàn)框圖詳見圖2。

主要的功能架構包括以下幾個方面：ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電源；ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器；ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器對應的寄存器；SPI接口控制邏輯；單片機功能電路。

主要工作流程如下：

信息傳輸時FPGA作為從設備，單片機作為主設備，通過MAX6043電源芯片提供從設備模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電源，從設備將溫度及電壓等信息存入內(nèi)部對應的寄存器當中，從設備向主設備發(fā)送數(shù)據(jù)接收請求IRQ信號，主設備接收到從設備發(fā)送的數(shù)據(jù)接收請求IRQ信號后通過SPI接口從FPGA對應的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器寄存器當中將溫度及電壓等健康信息讀出，并通過CAN總線將信息傳送給外圍主機設備，外圍主機設備通過編碼及終端解碼方式信息進行監(jiān)控，從而為系統(tǒng)的故障診斷和健康監(jiān)控提供一定的信息支撐。

2 系統(tǒng)結構與基本硬件配置

2.1 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種通過一定的電路把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路，目前使用的FPGA內(nèi)部基本都集成了ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器。外圍主設備訪問ADC對應寄存器一般可以采用以下兩種方式：

? 邏輯讀取ADC狀態(tài)寄存器，通過串行通信接口上報；

? 軟件讀取ADC狀態(tài)寄存器，通過PCIe、RapidIO等主機接口上報。

通過邏輯讀取ADC狀態(tài)寄存器上報信息相比較通過軟件讀取ADC狀態(tài)寄存器上報信息從實現(xiàn)上來說要復雜些，但軟件讀取時會占用主機的資源開銷，尤其在有告警機制要求的應用下顯得尤為突出，軟件需要不停的通過中斷讀取寄存器信息，同時還要不停地把寄存器讀取的信息與告警極限值進行對比，整個重復過程會占用較大的主機開銷。加之實際應用時要求利用單片機通過CAN總線將信息傳送給外圍主機設備，故設計時選用邏輯讀取ADC狀態(tài)寄存器，再通過串行通信接口上報。

2.2 串行通信接口選用

選用的FREECALE單片機同時支持I2C總線接口及SPI總線接口，通過比較兩者的優(yōu)缺點，同時結合實際使用環(huán)境，設計時選用了SPI總線接口作為單片機與FPGA間的串行通信接口。

2.2.1 SPI接口基本概述

SPI是由Motorola公司開發(fā)的用來在微控制器和芯片之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的一種低成本易使用的串行接口，與標準的串行接口不同，SPI接口是一個同步協(xié)議的全雙工接口，具有傳輸效率較高、配置靈活、協(xié)議簡單等優(yōu)點，其構成包括一個主控設備和一個或多個從屬設備。

SPI接口在協(xié)議軟件的控制下，只需4條信號線就可以完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。這4條信號線分別是：

? MISO（Master In-Slave Out）：主設備數(shù)據(jù)輸入，從設備數(shù)據(jù)輸出。

? MOSI（Master Out-Slave In）：主設備數(shù)據(jù)輸出，從設備數(shù)據(jù)輸入。

? SCLK：串行移位時鐘，由主設備產(chǎn)生。

? SS/CSB：從設備使能（片選信號），由主設備控制。

其基本工作時序為：當片選信號有效時，SPI主從設備在每個SCLK的時鐘邊沿通過MOSI或MISO端口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。SPI總線在與外圍設備進行數(shù)據(jù)交換時，可根據(jù)外圍設備的要求，配置時鐘SCK極性和相位，從而產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)格式。當時鐘相位cpha=0時，數(shù)據(jù)在時鐘脈沖的前沿被采樣，串行數(shù)據(jù)的移位操作由時鐘的前沿（第一個跳變沿）觸發(fā)；當時鐘相位cpha=1時，數(shù)據(jù)在時鐘的后沿（第二個跳變沿）被采樣，串行數(shù)據(jù)的移位操作由時鐘的后沿觸發(fā)。當時鐘的極性cpol=0時，時鐘在空閑狀態(tài)下為低電平，當時鐘的極性cpol=1時，時鐘在空閑狀態(tài)下為高電平。根據(jù)時鐘極性cpol和時鐘相位cpha的不同選擇可知SPI總線有如圖3所示的四種不同的工作方式：SPI0，此時cpol=0，cpha=0，即時鐘復位為低電平，在時鐘的第一個邊沿開始采樣數(shù)據(jù)；SPI1，此時cpol=0，cpha=1，即時鐘復位為低電平，在時鐘的第二個邊沿開始采樣數(shù)據(jù)；SPI2，此時cpol=1，cpha=0，即時鐘復位為高電平，在時鐘的第一個邊沿開始采樣數(shù)據(jù)；SPI3，此時cpol=1，cpha=1，即時鐘復位為高電平，在時鐘的第二個邊沿開始采樣數(shù)據(jù)。

工作中，SPI主設備是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹骺胤剑瑪?shù)據(jù)使用SCLK信號在主、從設備間以全雙工方式傳輸。圖4給出了典型點對點的SPI接口連接方式。主設備和從設備都有一個串行移位寄存器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位，在主設備產(chǎn)生的從設備使能信號和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前低位在后，在SCLK的下降沿數(shù)據(jù)改變，同時一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器當中，具體如圖5所示。

3 實現(xiàn)方式

設計時采用SPI2的工作方式，具體的通信時序如圖6所示：

本地通信時，單片機與FPGA之間應遵循以下通信協(xié)議：

? 單片機配置為SPI主設備，F(xiàn)PGA配置為SPI從設備，SCLK空閑時為高電平；

? SPI從設備向SPI主設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，SPI從設備應先向SPI主設備發(fā)送請求信號（IRQ中斷信號），用于觸發(fā)SPI主設備啟動數(shù)據(jù)接收；

? 啟動SPI控制邏輯，SPI主設備輸出SCLK時鐘至SPI從設備，SPI主設備在下降沿開始采樣，SPI從設備先將發(fā)送的數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)儲存至移位寄存器當中，接下來SPI從設備再將移位寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送至SPI主設備的移位寄存器當中，并搬至SPI主設備輸入緩沖器中，具體如圖7所示。

? SPI主設備通過CAN總線對讀取到的信息進行上報。

在將健康信息上報時，通過特定的數(shù)據(jù)報文格式進行通信，報文格式定義參見表1。如表所示，傳輸信息的含義如電壓、溫度等寫在報文編碼字段中，而具體的數(shù)據(jù)通過進制轉(zhuǎn)換寫在載荷數(shù)據(jù)中傳輸。

該技術已經(jīng)在某通信模塊上實現(xiàn)，通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機后，由主機調(diào)用并顯示出的結果如下圖所示。

4 結束語

鑒于機載網(wǎng)絡產(chǎn)品對溫度、電壓等健康狀態(tài)信息的需求，本文提出了一種基于SPI接口實現(xiàn)通信節(jié)點主要器件的溫度以及電壓等信息的健康管理電路的設計方法，為機載產(chǎn)品的健康監(jiān)控提供了一定的信息支撐。實際應用和測試結果表明：該設計簡單、實用，具有較強的擴展性，并已在多種模塊設計中進行了推廣，其在滿足用戶基本需求的同時也能夠進一步提高機載產(chǎn)品健康狀態(tài)監(jiān)控能力，提高機載產(chǎn)品在使用中的安全性，具有一定的實際使用價值。以上設計是基于自帶ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)通信節(jié)點健康管理電路的設計方法，有其實際使用價值的同時也具有一定的局限性，如何在未集成ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路中搭建ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器將作為以后的研究點。

參考文獻：

[1] Pecht M G.Prognostics and health management of electronics [M].New York：Wiley-Interscience，2008

[2] Malin J T， Oliver P J.Making technology ready：Integrated systems heath management[R].Washington D.C.：NASA，2007